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第３３卷第３期２０１３年６月振动、测试与诊断ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎ。Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ＤｉａｇｎｏｓｉｓＶ０１．３３Ｎｏ．３Ｊｕｎ．２０１３．．专家论坛◆基于ＰＶＤＦ的新型高速公路压电动态称重传感器’褚祥诚１，徐亚楠１，袁松梅２，王林１，刘明２，李龙土１（１．清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室北京，１０００８４）（２．北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京，１０００８３）摘要针对高速公路车辆超载严重的问题，提出了一种以压电薄膜聚偏二氟乙烯（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅｆｌｕｏｒｉｄｅ，简称ＰＶＤＦ）为敏感元件的新型高速公路压电动态称重传感器。分析了该新型传感器的工作原理，采用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ建立了传感器的机一电耦合模型，模拟得出了单片ＰＶＤＦ、双片ＰＶＤＦ串／爿Ｆ联情况下产生的电荷量。针对该传感器设计了一种简单调理电路，使ＰＶＤＦ的高阻抗输出变为低阻抗输出，并对所采集的电信号进行有效的放大。为验证该压电传感器方案设计的可行性，进行了室内试验和小型乘用车现场动态实测。试验结果表明，压电传感器具有较高的灵敏度，可以对车重进行实时检测和数据分析。关键词压电传感器；聚偏二氟乙烯（ＰＶＤＦ）；动态称重；高速公路中图分类号ＴＰ２１２．１２；ＴＨ７１中的各种干扰也未作深人分析，故检测精度不高。引言近年来，我国的公路事业取得了长足发展，公路因此，研究开发精度高、稳定性好的动态称重传感器必将为公路运营部门治理超限超载和实施计重收费提供有效的技术手段。压电薄膜聚偏二氟乙烯（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅｆｌｕｏｒ—总里程迅猛增长。交通运输业的发展对国民经济建设起到了积极的推动作用，但是公路运输车辆超限超载的现象也较为普遍。车辆超限超载运输对道路、交通安全、运输市场及汽车生产秩序造成了极大的危害［１］。作为遏制超限超载的一种手段，货运车辆经过收费站时，要对其进行计重收费。自从２０００年以来，国内多个省份开展了一系列的治理工作，并在高速公路上应用了动态称重系统（ｗｅｉｇｈｉｎｍｏ—ｉｄｅ，简称ＰＶＤＦ）是一种柔软的压电材料，自１９６９年日本的Ｋａｗａｉ发现其具有压电性以后，几十年来，人们对ＰＶＤＦ薄膜的研究一直没有中断。我国早在６０年代中期就开始了对ＰＶＤＦ压电材料的研究。１９７７年，中国科学院上海化学研究所开始研制ＰＶＤＦ及其共聚物后，它的应用日趋广泛，几乎涉及到所有领域［３］。结合利用ＰＶＤＦ传感器补偿性的红外检测器，可以用来建立入侵警报、交通灯切换和自动电梯监测等系统。在美国，联邦交通管理局已考虑将ＰＶＤＦ用来记录路面振动情况，以便了解公路交通状况。一种可以用来检测石墨一环氧树脂复合结构缺陷［４］的“便携式自动远程检查系统”，关键元件就是含有１０２４个换能器的ＰＶＤＦ压电薄膜。在建筑方面，ＰＶＤＦ压电薄膜被用在桥梁、大坝、房屋等大型建筑的测振减震上；在医学［５１方面，已有采用ＰＶＤＦ材料用来防止婴儿猝死的呼吸检测器。通过以上分析可知，ＰＶＤＦ压电薄膜电作为新兴的压电材料，具有诸多优点，包括工艺性好、耐腐蚀、机械性能强、工作温度范围宽、介电常数高等，这些优ｔｉｏｎ，简称ＷＩＭ）［２］，其核心部件就是称重传感器。用于公路超载快速检测的传感器最早源于２０世纪６０年代对动态力测试的技术。２０世纪９０年代，由于公路车辆超限超载问题严重，使这类传感器在公路车辆轴载超载预判、桥梁超载报警和轴载动态称重中的应用得到快速发展。瑞士Ｋｉｓｔｌｅｒ（奇石乐）公司开发出可以埋在路面下的以石英晶体为敏感元件的工字梁型动态称重传感器，用于公路车辆轴载超载预判、隧道保护和车辆轴载计量，取得了很好的应用效果。由于我国研究起步晚，压电传感器研究与应用落后于世界先进水平，对车辆动态称重过程＊精细陶瓷北京市重点实验室开放课题资助项目；国家自然科学基金资助项目（５１０７５２２３）；北京市自然科学基金资助项目（３１０２０１８）收稿日期：２０１３一０１—１０；修改稿收到日期：２０１３—０２—２０万方数据

振动、测试与诊断第３３卷点使它成为一种理想的换能器或传感器材料。用ＰＶＤＦ制作的传感器由于结构简单、制作方便、成本低等因素，被广泛应用于各个领域［６］。基于以上分析，笔者选择ＰＶＤＦ作为压电动态称重传感器的压电材料，目标设计一种精度高、稳定性好的动态称重传感器。同时，该传感器不同于已有的压电公路传感器必须埋设在道路结构中，而是一种高刚度的扁平结构，实际使用中将根据车道宽度和测试参数要求将数个传感器并联预置在道路表面，便于后期维护、检修和更换，尽可能减小传感器对道路结构的破坏。图２ＰＶＤＦ布置和连线方式示意图硬质塑料１传感器的设计与原理分析其中：ｄ＝ｄ。（ｉ一１，２，３；歹一１，２，…，６）为压电常数矩１．１传感元件设计传感元件设计如图１所示，主要包括上盖、底座、ＰＶＤＦ压电材料。上盖和底座用１６个Ｍ３螺钉连接，用以提供ＰＶＤＦ的预紧力。中间部分用于放置ＰＶＤＦ，两片ＰＶＤＦ以并联的方式放人传感器中。阵；ｓ￡为恒电场下的柔性常数矩阵；￡ｘ为恒应力时的介电常数矩阵。ＰＶＤＦ拉伸极化后具有４ｍｍ点的对称性口］，常选取ｚ轴为拉伸方向，ｚ轴垂直于膜面平行于极化方向，Ｙ轴用右手定则选取，当仅考虑ｚ方向受均匀力时，即Ｔ。≠０，Ｅ一０，ＰＶＤＦ的压电常数矩阵为『ｏｄ。一ｌ０ｏ０ｏ０ｏｄ２４０ｄ，ｓ００ｏ］００（２）Ｉｄ３１ｄ３２ｄ３３其中：ｄ。。一ｄ∽且其绝对值较ｄ”ｄ。。小近二个数量级，所以具体应用时可认为ｄ：。一盔。≈０。式（２）可简化为口Ｄ３一ｄ３１Ｔ１＋ｄ３２Ｔ２＋ｄ３３Ｔ３（３）当仅考虑ｚ方向的受力时，式（３）可简化为图１压电动态称重传感器结构示意图Ｄ３一ｄ３３Ｔａ（４）即压电传感器产生的电荷大小与所受压力成正比，图２是压电传感器内部ＰＶＤＦ的布置和连线方式示意图。两片ＰＶＤＦ中间用铜箔连接作为正极输出，另外两面则与整个传感器相连作为负极输出。硬质塑料的作用是为ＰＶＤＦ材料提供预紧力，同时也使传感器结构内部保持一定弹性，避免ＰＶＤＦ材料的损坏。１．３压电材料连接方式１．２工作原理此即压电传感器的理论基础。上述现象称之为正压电效应，压电动态称重传感器正是利用了压电材料的正压电效应，感知车轮经过传感器表面时的压力变化，进而通过计算得知车辆的轴重。为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应对于压电晶体，当其沿一定方向受到外力作用时，在晶体的某两个表面上便产生符号相反、大小相等的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态。将应力Ｔ和电场强度Ｅ作为自变量，应变Ｊｓ和电位移Ｄ作为因变量，这一现象可用如下的压电方程表示ｆＳ—ｓ６・Ｔ＋ｄ１・Ｅ用中通常是由两片以上的压电材料叠合起来使用。根据输出要求，压电片的联接有串联和并联两种，而具体选择哪一种则应视情况而定，如图３所示的传感器由两片ＰＶＤＦ压电材料叠合而成。如图３（ａ）所示，两片压电片负极都集中于中间｛Ｄ—ｄ．Ｔ＋ｅ万方数据ｎ’ｘ．Ｅ电极上，正极在上下两面电极上，这种接法称为并联。图３（ｂ）中的接法是上极板为正电荷，下极板为

第３期褚祥诚，等：基于ＰＶＤＦ的新型高速公路压电动态称重传感器（ａ）并联（ｂ）串联图３压电元件的并联与串联负电荷，而中间极板上上片产生的负电荷与下片产生的正电荷抵消，这种接法称为串联。对于并联接法Ｑｂ—ｎＱ。，Ｕｂ—Ｕｄ，Ｃｂ—ｎＣｄ（５）对于串联接法ｒＱ。一Ｑｄ，Ｕ。一ｎＵｄ，Ｃ。一型（６）咒其中：挖为压电元件片数；Ｑ。，Ｑ。，Ｑ。分别为串、并联和单层陶瓷的电荷量；Ｕ。，Ｕ。，Ｕ。分别为串、并联和单层陶瓷的输出电压；Ｃ。，Ｃ。，Ｃ。分别为串、并联和单层陶瓷的电容量。在这两种接法中，并联接法输出电荷量大，适用于以电荷作为输出量的场合。串联接法输出电压高，适用于以电压作为输出量的场合。２有限元仿真分析ＡＮＳＹＳ分析的主要目的是模拟传感器受力时产生电荷量的大小，同时验证两片ＰＶＤＦ并联和串联时所产生电荷量的关系。模拟分析时设定车辆经过传感器时的速度为２０ｋｍ／ｈ，传感器的表面宽度是６０ｍｍ，则车轮经过传感器的时间约０．０２Ｓ；小型乘用车辆总重量约１．５ｔ，则每个车轮所承受的静力约３７５０Ｎ。图４为单片ＰＶＤＦ的电压云图。由图可知，最大电压Ｕ一０．１９３６０８Ｖ；单片ＰＶＤＦ的电容为，、ｅ＃ｏＡ１２×８．８５４１８８×７５×１０—３×３５×１０３一～ｄ０．５×１０—３万方数据５５７．８１ｐＦ（７）故单片ＰＶＤＦ产生的电荷量的大小为Ｑｄ—ＣｄＵｄ一５５７．８１×０．１９３６０８ｐＣ一１０７．９９ｐＣ（８）图５为两层ＰＶＤＦ膜并联时的电压云图。由图５可知，此时的电压最大值Ｕｂ一０．１７４６３７Ｖ，又因为并联时Ｃ。一２Ｃ。，故同理可得产生的电荷量大小为Ｑｂ—ＣｂＵｂ一２×５５７．８１×０．１７４６３７ｐＣ＝１９４．８３ｐＣ（９）图６为两层ＰＶＤＦ膜串联时的电压云图。因１为串联时电容Ｃ。一÷ｃ。，且由图６可知，串联时的厶最大电压Ｕ。一０．３４８９８３Ｖ，则串联时产生的电荷量为１Ｑ。一ｃ。Ｕ。一÷×５５７．８１×０．３４８９８３ｐＣ＝９７．３３ｐＣ厶（１０）由分析可知，Ｑｂ一１９４．８３ｐＣ～－２Ｑ。一２×９７．３３ｐＣ一１９４．６６ｐＣ，Ｕ。一０．３４８９８３Ｖ≈２Ｕｂ一２×０．１７４６３７Ｖ一０．３４９２７４Ｖ。通过仿真分析证明了在误差允许的范围内，两片ＰＶＤＦ并联所产生的电荷量是串联时的２倍，串联时的输出电压约为并联时的２倍。图７为３种情况下的电压变化曲线图。恩燃鬯。，．’嚣乙．赫；‰Ｉ一：…‰Ⅲ…＿”